JP4876957B2

JP4876957B2 - 液体燃料の充填装置及び液体燃料の充填方法

Info

Publication number: JP4876957B2
Application number: JP2007037708A
Authority: JP
Inventors: 章仁神田
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2027-02-19
Also published as: JP2008201428A

Description

本発明は、液体燃料の充填装置及び液体燃料の充填方法に関する。

近年では、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源として、水素を燃料とする燃料電池が自動車や携帯機器などに応用され始めている。燃料電池は、燃料と大気中の酸素を電気化学的に反応させて、化学エネルギーから電気エネルギーを直接取り出す装置である。

燃料電池に用いる燃料としては水素が挙げられるが、常温で気体であるため、取り扱いや貯蔵が困難である。そこで、アルコール類やガソリンといった水素を含む液体燃料を改質して水素を生成して用いる燃料電池装置が開発されている。このような燃料電池装置を搭載した電子機器では、燃料電池に供給する液体燃料を内部に収容する燃料容器が着脱自在に設けられている。

燃料容器に液体燃料を充填するには、液体燃料の充填装置に燃料容器を接続し、液体燃料の供給流路のバルブを開くことで燃料容器に液体燃料を注入する。
また、燃料の水溶液を燃料容器に充填する場合には、バルブ近傍の僅かな空気が燃料容器に混入することを防ぐために、充填する所定濃度の燃料の水溶液よりも燃料濃度の高い水溶液を燃料容器に注入し、燃料容器内で流動させた後に燃料容器から排出し、その後所定濃度の燃料の水溶液を充填する方法が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００６−２４５４１号公報

しかし、上記方法では、充填に用いる所定濃度の燃料の水溶液の他に、予備注入に用いる高濃度の燃料の水溶液が必要となるため、各濃度の溶液ごとに流路やタンクが必要となり、装置が大型になるという問題があった。
また、上記方法では、燃料の水溶液中に溶存する気体を除去することができず、溶存気体からの新たな気泡発生を防止することができなかった。

本発明の課題は、液体燃料の充填時に燃料容器内に気泡が混入することの防止、および／あるいは新たな気泡発生を防止することができる液体燃料の簡易な充填装置及び液体燃料の充填方法を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、燃料容器に供給される液体燃料の供給流路と、前記燃料容器から排出される液体燃料の排出流路と、燃料容器から液体燃料を排出する排出装置とを備え、前記供給流路には、液体燃料を前記燃料容器に送出する送出装置と、液体燃料の脱気を行う脱気装置とが設けられ、脱気した液体燃料を前記送出装置により前記燃料容器に送出することで、前記脱気装置よりも下流の供給流路内の気泡を前記燃料容器内に排出し、次いで、前記燃料容器内の液体燃料とともに前記燃料容器内の気泡を前記排出装置により排出し、その後、新たに脱気した液体燃料を前記送出装置により前記燃料容器に送出して前記燃料容器に液体燃料を充填することを特徴とする液体燃料の充填装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液体燃料の充填装置であって、前記供給流路の上流には液体燃料を貯留する燃料貯槽が設けられ、前記排出流路の下流側は前記燃料貯槽に接続され、前記排出装置は液体燃料を前記燃料貯槽に排出することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の液体燃料の充填装置であって、前記排出流路には液体燃料内の夾雑物を除去するフィルターが設けられていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の液体燃料の充填装置であって、前記排出装置は前記排出流路に設けられた排出ポンプであり、前記排出流路には該排出流路内の圧力を計測する圧力計が設けられ、前記圧力計の値が前記排出ポンプの静圧値に達した後に前記排出ポンプを停止させ、その後前記送出装置を駆動させることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の液体燃料の充填装置を用いた液体燃料の充填方法であって、前記脱気装置よりも下流の供給流路内の気泡を脱気した液体燃料とともに前記燃料容器内に排出し、次いで、前記燃料容器内の液体燃料とともに前記燃料容器内の気泡を排出し、その後、新たに脱気した液体燃料を前記燃料容器に充填することを特徴とする。

本発明によれば、簡易な装置で液体燃料の充填時に燃料容器内に気泡が混入することの防止、および／あるいは、新たな気泡発生を防止することができる。

以下、本発明について説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は本発明の第１の実施形態に係る液体燃料の充填装置１の流路構造を示す概略図である。液体燃料の充填装置１は、図１に示すように、燃料容器５１に供給される液体燃料の供給流路１０と、燃料容器５１から排出される液体燃料の排出流路２０と、一端がカートリッジ５０と接続される接続流路３０とを備える。供給流路１０、排出流路２０及び接続流路３０は、三方分岐部３１において接続されている。

供給流路１０の三方分岐部３１と反対側の端部には、燃料貯槽１１が設けられ、燃料貯槽１１から三方分岐部３１に向かって順に、第１ポンプ１２（送出装置）、脱気装置１３、流量計１４、第１バルブ１５が設けられている。

排出流路２０の三方分岐部３１と反対側の端部には、廃棄槽２１が設けられ、廃棄槽２１から三方分岐部３１に向かって順に、第２ポンプ２２（排出ポンプ）、圧力計２４、第２バルブ２５が設けられている。

また、液体燃料の充填装置１は、供給流路１０や排出流路２０等に設けられた流量計１４、圧力計２４等の計器の出力に応じて第１ポンプ１２、第２ポンプ２２、第１バルブ１５、第２バルブ２５、脱気装置１３等を制御する図示しない制御部が設けられている。

燃料貯槽１１はカートリッジ５０に供給される液体燃料を貯留する。第１ポンプ１２は、制御部により制御され、液体燃料を燃料貯槽１１側（上流側）から三方分岐部３１側（下流側）へ向かって送出する。

脱気装置１３は、制御部により制御され、液体燃料の脱気処理を行う。ここで、脱気処理とは、液体燃料中の溶存空気濃度を低下させる処理である。例えば、気液分離膜により中空糸膜を形成し、中空部に液体燃料を挿通させ、中空糸膜の周囲を減圧することで、液体燃料中の溶存空気濃度を低下させる処理を行うことができる。

また、他の脱気処理方法として、例えば真空ポンプによって液体燃料を減圧する方法、液体燃料を超音波振動させる方法、液体燃料を加熱する方法等が挙げられ、これらの方法を単独であるいは複数併用することにより溶存空気の濃度を低下させる処理を行ってもよい。

なお、超音波振動を加える方法や加熱する方法等、燃料を貯めておく仮の貯槽構造が必要となる脱気装置１３は、脱気処理後にその貯槽からカートリッジ５０側へ液体を押し出す装置を備える。

流量計１４は供給流路１０を流れる液体燃料の流量を計測し制御部に出力する。第１バルブ１５は制御部により制御されて開閉する。

第２バルブ２５は制御部により制御されて開閉する。圧力計２４は排出流路２０を流れる液体燃料の圧力を計測し制御部に出力する。

排出ポンプは、制御部により制御され、液体燃料を三方分岐部３１側（上流側）から廃棄槽２１側（下流側）へ向かって排出する。廃棄槽２１は排出された液体燃料を貯留する。

接続流路３０に取り付けられるカートリッジ５０は、燃料容器５１と、筐体５２とを備える。
燃料容器５１は、袋状であり、燃料電池装置に供給する液体燃料が燃料容器５１の内部に充填される。燃料容器５１は例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）から形成される。なお、燃料容器５１の内面に気泡が付着しにくくなるように、内面が親水性となるようにしてもよい。

筐体５２は、燃料容器５１を収容し、図示しない燃料電池装置に取り付けられる。筐体５２には、燃料容器５１を接続流路３０または図示しない燃料電池装置に接続するための接続孔５３が上部に設けられ、下部に空気孔５４が設けられている。空気孔５４から筐体５２内に流入する空気の圧力が燃料容器５１の外側に作用するため、燃料容器５１内の液体燃料の減少に伴い、燃料容器５１が収縮する。

カートリッジ５０を接続流路３０に接続した状態では、脱気装置１３よりも下流の供給流路１０内や接続流路３０内、カートリッジ５０内に気泡が存在する可能性が高い。そのため、本実施の形態の液体燃料の充填装置１では、以下に説明する充填手順が制御部により行われることで、液体燃料を充填する際に気泡がカートリッジ５０内に残存することを防止している。

図２は制御部による液体燃料の充填装置１の操作手順を示すフローチャートであり、図３は各手順におけるカートリッジ５０の模式図である。以下、液体燃料の充填手順について、図２及び図３を用いて説明する。
液体燃料の充填手順は以下に説明するように、（ａ）予備注入、（ｂ）排出、（ｃ）充填の３段階からなる。

（ａ）予備注入
まず、制御部は第２バルブ２５を閉じ（ステップＳ１）、第１バルブ１５を開き（ステップＳ２）、第１ポンプ１２を駆動し（ステップＳ３）、脱気装置１３による脱気処理を開始する（ステップＳ４）。これにより、燃料容器５１への液体燃料の予備注入が開始され、脱気装置１３よりも下流の供給流路１０内や接続流路３０内に残存する液体燃料や気泡が燃料容器５１内へ送出される。この予備注入動作を流量積算量が目標量に達したことを流量計１４が検出するまで継続する（ステップＳ５：Ｎｏ）。

ステップＳ５において流量積算量の目標量とは、脱気装置１３よりも下流の供給流路１０及び接続流路３０の内容積よりも大きい値である。流量積算量が目標量に達することで、図３（ａ）に示すように、脱気装置１３よりも下流の供給流路１０内や接続流路３０内に残存する液体燃料や気泡６０が全て燃料容器５１内へ送出されたと判断することができる。

なお、脱気した液体燃料を燃料容器５１内に送出することで、燃料容器５１内に存在する気泡６０中の気体は液体燃料にその飽和溶存量に達するまで溶解する。したがって、その後液体燃料を排出することで気泡を除去することができる。また、気泡６０が残存したとしても、接続孔５３が上部に設けられているため、次の（ｂ）排出の手順において液体燃料とともに確実に排出することができる。
流量積算量が目標量に達したことを流量計１４により検出したら（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、次の（ｂ）排出の手順に移行する。

（ｂ）排出
制御部は第１ポンプ１２を停止し（ステップＳ６）、第１バルブ１５を閉じ（ステップＳ７）、第２バルブ２５を開き（ステップＳ８）、第２ポンプ２２を駆動する（ステップＳ９）。これにより、燃料容器５１内へ予備注入された液体燃料や気泡の排出が開始される。この液体燃料の排出動作を、排出流路２０内の圧力が第２ポンプ２２の最大耐圧値（静圧値）に達したことを圧力計２４が検出するまで継続する（ステップＳ１０：Ｎｏ）。排出流路２０内の圧力が静圧値に達することで、図３（ｂ）に示すように、燃料容器５１内の液体燃料や気泡がほぼ全て排出されたと判断することができる。
排出流路２０内の圧力が静圧値に達したことを圧力計２４が検出したら（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、次の（ｃ）充填の手順に移行する。

（ｃ）充填
制御部は第２ポンプ２２を停止し（ステップＳ１１）、第２バルブ２５を閉じ（ステップＳ１２）、第１バルブ１５を開き（ステップＳ１３）、第１ポンプ１２を駆動し（ステップＳ１４）、脱気装置１３による脱気処理を開始する（ステップＳ１５）。これにより、燃料容器５１への液体燃料の充填が開始される。この充填動作を流量積算量が目標量に達したことを流量計１４が検出するまで継続する（ステップＳ１６：Ｎｏ）。

ステップＳ１６において流量積算量の目標量とは、燃料容器５１の最大容量である。流量積算量が目標量に達することで、図３（ｃ）に示すように、燃料容器５１内に液体燃料が充填されたと判断することができる。
流量積算量が目標量に達したことを流量計１４により検出したら（ステップＳ１６：Ｙｅｓ）、第１ポンプ１２を停止し（ステップＳ１７）、第１バルブ１５を閉じる（ステップＳ１８）。以上により、液体燃料の充填手順が終了し、液体燃料の充填装置１からカートリッジ５０を取り外し可能となる。

このように、本実施形態によれば、脱気装置１３よりも下流の供給流路１０内の気泡を液体燃料とともに燃料容器５１内に排出し、その排出した液体燃料とともに気泡を排出流路２０から排出し、その後、脱気した液体燃料を新たに燃料容器５１に充填するので、液体燃料を貯留するタンクが１つで済み、装置を簡易にすることができる。
また、燃料容器５１内に混ざり込んだ固形物や異物等の夾雑物を予備注入した液体燃料とともに排出することができる。

〔変形例〕
なお、上記の実施形態においては、排出流路２０に設けた第２ポンプ２２により、燃料容器５１内へ予備注入された液体燃料や気泡を排出したが、第２ポンプ２２の代わりに、例えば図４に示すように、筐体５２の空気孔５４に接続される空気供給流路４０と、制御部により制御され空気供給流路４０に空気を供給する第３ポンプ（空気ポンプ）とを設けた充填装置２としてもよい。この場合、排出流路２０に圧力計２４の代わりに第２の流量計２６を設ける。制御部により第３ポンプを制御して空気孔５４から筐体５２内に空気を供給することで、筐体５２内に流入する空気の圧力により燃料容器５１を収縮させ、燃料容器５１内へ予備注入された液体燃料や気泡が排出される。

本変形例に係る充填装置２においても図２のフローチャートと同様の手順で液体燃料の充填を行うことができる。
すなわち、図２のフローチャートのステップＳ１０において、排出流路２０内の圧力が第２ポンプ２２の最大耐圧値（静圧値）に達したことを圧力計２４により検出する代わりに、排出流路２０内の流量積算量が目標量に達したことを第２の流量計２６により検出する。第２の流量計２６の値が目標量に達したら、制御部が第２ポンプ２２の代わりに第３のポンプを駆動または停止する。
以後、ステップＳ１１〜１８により、液体燃料の充填手順が終了し、液体燃料の充填装置１からカートリッジ５０を取り外し可能となる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図５は本発明の第２の実施形態に係る液体燃料の充填装置３の流路構造を示す概略図である。本実施の形態の第１の実施形態と異なるところは、排出流路２０の第２バルブ２５よりも上流部にフィルター２７が設けられている点、第２ポンプ２２の下流部に廃棄槽２１がなく、その代わりに排出流路２０の下流部が燃料貯槽１１と接続されている点である。

フィルター２７は液体燃料を透過させるとともに、液体燃料中の固体を除去する。フィルター２７としては、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）メンブレンフィルタ等を用いることができる。その他、液体燃料による腐食を受けない他の材料を主成分とする濾材や濾過器を使用してもよい。
液体燃料をフィルター２７に透過させることで、燃料容器５１内へ予備注入された液体燃料中に混ざり込んだ固形物や異物等の夾雑物を除去することができる。

液体燃料をフィルター２７に透過させることで、夾雑物が除去されるので、予備注入した液体燃料が再利用可能となる。そこで、本実施形態では、排出流路２０の下流部を燃料貯槽１１と接続し、予備注入した液体燃料を燃料貯槽１１に戻し、再利用を可能としている。

本実施の形態においても、図２のフローチャートと同様の手順で液体燃料の充填を行うことができる。
また、液体燃料中に混ざり込んだ固形物や異物等の夾雑物を予備注入した液体燃料とともに排出し、フィルター２７により除去するため、燃料を脱気して再利用することが可能となり、充填コストを低減することができる。

本発明の第１の実施形態を示す概略図である。制御部による操作手順を示すフローチャートである。（ａ）予備注入、（ｂ）排出、（ｃ）充填の３段階の手順におけるカートリッジ５０の模式図である。本発明の変形例を示す概略図である。本発明の第２の実施形態を示す概略図である。

符号の説明

１０供給流路
１１燃料貯槽
１２第１ポンプ（送出装置）
１３脱気装置
２０排出流路
２２第２ポンプ（排出装置）
２４圧力計
２７フィルター
４２第３ポンプ（排出装置）
５１燃料容器

Claims

燃料容器に供給される液体燃料の供給流路と、
前記燃料容器から排出される液体燃料の排出流路と、
燃料容器から液体燃料を排出する排出装置とを備え、
前記供給流路には、液体燃料を前記燃料容器に送出する送出装置と、
液体燃料の脱気を行う脱気装置とが設けられ、
脱気した液体燃料を前記送出装置により前記燃料容器に送出することで、前記脱気装置よりも下流の供給流路内の気泡を前記燃料容器内に排出し、
次いで、前記燃料容器内の液体燃料とともに前記燃料容器内の気泡を前記排出装置により排出し、
その後、新たに脱気した液体燃料を前記送出装置により前記燃料容器に送出して前記燃料容器に液体燃料を充填することを特徴とする液体燃料の充填装置。
前記供給流路の上流には液体燃料を貯留する燃料貯槽が設けられ、
前記排出流路の下流側は前記燃料貯槽に接続され、
前記排出装置は液体燃料を前記燃料貯槽に排出することを特徴とする請求項１に記載の液体燃料の充填装置。
前記排出流路には液体燃料内の夾雑物を除去するフィルターが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の液体燃料の充填装置。
前記排出装置は前記排出流路に設けられた排出ポンプであり、
前記排出流路には該排出流路内の圧力を計測する圧力計が設けられ、
前記圧力計の値が前記排出ポンプの静圧値に達した後に前記排出ポンプを停止させ、その後前記送出装置を駆動させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液体燃料の充填装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の液体燃料の充填装置を用いた液体燃料の充填方法であって、
前記脱気装置よりも下流の供給流路内の気泡を脱気した液体燃料とともに前記燃料容器内に排出し、
次いで、前記燃料容器内の液体燃料とともに前記燃料容器内の気泡を排出し、
その後、新たに脱気した液体燃料を新たに前記燃料容器に充填することを特徴とする液体燃料の充填方法。